Qualitätskontrolle von Polyamiden

Bestimmung von Viskosität, funktionellen Gruppen und Feuchtigkeit innerhalb einer Minute mittels NIR-Spektroskopie

Zusammenfassung

Die Analyse der funktionellen Gruppen und der Viskosität (ASTM D789) von Polyamiden kann aufgrund der begrenzten Löslichkeit der Probe ein langwieriger und schwieriger Prozess sein.

Diese Application Note zeigt, dass der DS2500 Solid Analyzer, der im sichtbaren und nahen Infrarot-Spektralbereich (Vis-NIR) arbeitet, eine kosteneffiziente und schnelle Lösung für die gleichzeitige Bestimmung der relativen Viskosität sowie des Amin-, Carboxyl- und Feuchtigkeitsgehalts in Polyamiden darstellt. Ohne Probenvorbereitung oder Chemikalien ermöglicht die Vis-NIR-Spektroskopie die Analyse von Polyamiden in weniger als einer Minute.

Experimentelle Geräte

Abbildung 1. DS2500 Solid Analyzer und Polyamid-Pellets im rotierenden DS2500 Large Sample Cup.

Polyamid-Pellets wurden mit einem DS2500 Solid Analyzer im Reflexionsmodus über den gesamten Wellenlängenbereich (400-2500 nm) gemessen. Ein rotierender DS2500-Großprobenbecher wurde eingesetzt, um die Verteilung der Partikelgrößen und chemischen Komponenten zu überwinden. Dies ermöglichte eine automatisierte Messung an verschiedenen Probenorten für eine reproduzierbare Spektrenerfassung. Wie in Abbildung 1 dargestellt, wurden die Proben ohne jegliche Vorbereitung gemessen. Das Metrohm-Softwarepaket Vision Air Complete wurde für die gesamte Datenerfassung und die Entwicklung von Vorhersagemodellen verwendet.

**Tabelle 1.** Übersicht über die Hardware- und Softwareausstattung
Ausrüstung	Metrohm-Nummer
DS2500 Solid Analyzer	2.922.0010
DS2500 Large Sample Cup	6.7402.050
Vision Air 2.0 Complete	6.6072.208

DS2500 Solid Analyzer

2.922.0010

Robuste Nahinfrarotspektroskopie für die Qualitätskontrolle im Labor sowie im Produktionsumfeld.Der DS2500 Analyzer ist die bewährte, flexible Lösung für die Routineanalytik von Feststoffen, Cremes und optional auch Flüssigkeiten entlang der gesamten Produktionskette. Das robuste Design macht den DS2500 Analyzer unempfindlich gegen Staub, Feuchtigkeit, Vibrationen sowie Temperaturschwankungen und damit hervorragend geeignet für den Einsatz im rauen Produktionsumfeld.Der DS2500 deckt den gesamten Spektralbereich von 400 bis 2500 nm ab und liefert in weniger als einer Minute genaue und reproduzierbare Ergebnisse. Der DS2500 Analyzer erfüllt die Anforderungen der pharmazeutischen Industrie und unterstützt durch die einfache Bedienung die Anwender in ihren täglichen Routineaufgaben.Durch perfekt auf das Gerät abgestimmtes Zubehör werden bei jedem noch so herausfordernder Probentyp, wie z.B. grobkörnige Feststoffe wie Granulate oder halb fest-flüssige Proben wie Cremes, bestmögliche Ergebnisse erzielt. Bei Messungen von Feststoffen kann die Produktivität gesteigert werden durch Einsatz des MultiSample Cups, welches automatisierte Messungen in Serie von bis zu 9 Proben ermöglicht.

DS2500 Probengefäss, gross

6.7402.050

Grosses Probengefäss für die Spektrenaufnahme von Pulvern und Granulaten in Reflektion an unterschiedlichen Probenstellen mittels NIRS DS2500 Analyzer.

Vision Air 2.0 Complete

6.6072.208

Vision Air - Universelle Spektroskopie Software. Vision Air Complete ist eine moderne und einfach zu bedienende Softwarelösung für den Einsatz im regulierten Umfeld.Die Vorteile von Vision Air im Überblick: Individuelle Softwareanwendungen mit angepassten Nutzeroberflächen gewährleisten eine intuitive und einfache Bedienung; Einfache Erstellung und Wartung von Arbeitsvorschriften; SQL Datenbank für ein sicheres und einfaches Datenmanagement; Die Version Vision Air Complete (66072208) beinhaltet alle Anwendungen für die Qualitätssicherung mittels Vis-NIR Spektroskopie: Anwendung für das Instrumenten- und Datenmanagement; Anwendung für die Methodenentwicklung; Anwendung für die Routineanalyse; Weitere Vision Air Complete Lösungen: 66072207 (Vision Air Network Complete); 66072209 (Vision Air Pharma Complete); 66072210 (Vision Air Pharma Network Complete);

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Ergebnisse

Die erhaltenen Vis-NIR-Spektren (Abbildung 2) wurden zur Erstellung von Prognosemodellen für die Quantifizierung der relativen Viskosität und der Amin-Endgruppen, der Carboxyl-Endgruppen und des Feuchtigkeitsgehalts in Polyamiden verwendet. Die Qualität der Vorhersagemodelle wurde anhand von Korrelationsdiagrammen bewertet, die die Beziehung zwischen Vis-NIR-Vorhersage und Werten der Primärmethode darstellen. Die jeweiligen Leistungszahlen (FOM) zeigen die erwartete Genauigkeit einer Vorhersage während der Routineanalyse.

Auswahl von Polyamid Vis-NIR-Spektren, die mit einem DS2500 Analysator und einem rotierenden DS2500 Large Sample Cup aufgenommen wurden. Aus Darstellungsgründen werden die Spektren mit einem Offset dargestellt.

Abbildung 2. Auswahl von Polyamid Vis-NIR-Spektren, die mit einem DS2500 Analysator und einem rotierenden DS2500 Large Sample Cup aufgenommen wurden. Aus Darstellungsgründen werden die Spektren mit einem Offset dargestellt.

Ergebnis relative Viskosität

Korrelationsdiagramm für die Vorhersage der relativen Viskosität von Polyamiden unter Verwendung eines DS2500 Solid Analyzers. Der Laborwert der relativen Viskosität wurde mithilfe der Viskosimetrie bewertet.

Abbildung 3. Korrelationsdiagramm für die Vorhersage der relativen Viskosität von Polyamiden unter Verwendung eines DS2500 Solid Analyzers. Der Laborwert der relativen Viskosität wurde mithilfe der Viskosimetrie bewertet.

**Tabelle 2.** Leistungskennzahlen für die Vorhersage der relativen Viskosität von Polyamiden mit einem DS2500 Solid Analyzer.
Leistungsmerkmale	Wert
R²	0,986
Standardfehler der Kalibrierung	0,046 dl/g
Standardfehler der Kreuzvalidierung	0,055 dl/g

Ergebnis Carboxyl-Endgruppengehalt

Korrelationsdiagramm für die Vorhersage des Gehalts an Carboxylendgruppen in Polyamiden unter Verwendung eines DS2500 Solid Analyzers. Der Laborwert der Carboxylendgruppen wurde durch Titration ermittelt.

Abbildung 4. Korrelationsdiagramm für die Vorhersage des Gehalts an Carboxylendgruppen in Polyamiden unter Verwendung eines DS2500 Solid Analyzers. Der Laborwert der Carboxylendgruppen wurde durch Titration ermittelt.

**Tabelle 3.** Leistungskennzahlen für die Vorhersage des Gehalts an Carboxylendgruppen in Polyamiden unter Verwendung eines DS2500 Solid Analyzers.
Leistungsmerkmale	Wert
R²	0,972
Standardfehler der Kalibrierung	6,1 meq/kg
Standardfehler der Kreuzvalidierung	11,1 meq/kg

Ergebnis Amin-Endgruppengehalt

Korrelationsdiagramm für die Vorhersage des Amin-Endgruppengehalts in Polyamiden unter Verwendung eines DS2500 Solid Analyzers. Der Laborwert der Amin-Endgruppen wurde durch Titration ermittelt.

Abbildung 5. Korrelationsdiagramm für die Vorhersage des Amin-Endgruppengehalts in Polyamiden unter Verwendung eines DS2500 Solid Analyzers. Der Laborwert der Amin-Endgruppen wurde durch Titration ermittelt.

**Tabelle 4.** Leistungskennzahlen für die Vorhersage des Gehalts an Amin-Endgruppen in Polyamiden unter Verwendung eines DS2500 Solid Analyzers.
Leistungsmerkmale	Wert
R²	0,981
Standardfehler der Kalibrierung	2,5 meq/kg
Standardfehler der Kreuzvalidierung	4,1 meq/kg

Ergebnis Feuchtigkeitsgehalt

Korrelationsdiagramm für die Vorhersage des Feuchtigkeitsgehalts in Polyamiden unter Verwendung eines DS2500 Solid Analyzers.

Abbildung 6. Korrelationsdiagramm für die Vorhersage des Feuchtigkeitsgehalts in Polyamiden unter Verwendung eines DS2500 Solid Analyzers.

**Tabelle 5.** Leistungskennzahlen für die Vorhersage des Feuchtigkeitsgehalts in Polyamiden mit einem DS2500 Solid Analyzer.
Leistungsmerkmale	Wert
R²	0.991
Standardfehler der Kalibrierung	0.041%
Standardfehler der Kreuzvalidierung	0.067%

Fazit

Diese Studie demonstriert die Machbarkeit der NIR-Spektroskopie für die Analyse einiger wichtiger Qualitätsparameter von Polyamiden. Im Vergleich zu nasschemischen Methoden (Tabelle 6) ist die Zeit bis zum Ergebnis ein großer Vorteil der NIR-Spektroskopie, da alle Parameter in einer einzigen Messung in weniger als einer Minute bestimmt werden.

**Tabelle 6.** Übersicht über die Zeit bis zum Ergebnis für die verschiedenen Parameter.
Parameter	Verfahren	Zeit zum Ergebnis
Relative Viskosität	Viskosimetrie	∼90 Min. (Vorbereitung) + ∼1 Min. (Viskosimetrie)
Carboxyl-Endgruppen	Titration	∼90 Min. (Vorbereitung) + ∼20 Min. (Titration)
Amin-Endgruppen	Titration	∼90 Min. (Vorbereitung) + ∼20 Min. (Titration)
Feuchtigkeit	KF-Titration	∼25 Min. (Vorbereitung) + ∼5 Min. (Karl-Fischer-Titration)